Класифікація електричних апаратів.

Класифікація електричних апаратів може проводитись по-різному. Це зв’язано з різноманітністю апаратів та функцій, які вони виконують, із суміщенням в одному апараті декількох функцій. По одній ознаці їх класифікувати дуже важко, бо ознак по яких можна розділяти або об’єднати апарати є багато: габарити, призначення, допустимі струми і напруги, температурні режими експлуатації, кліматичні умови та багато інших. Найбільш прийнятною є класифікація електричних апаратів по призначенню, що передбачає їх поділ на наступні великі групи:

1) комутаційні апарати – призначені для вмикання, вимикання та перемикання електричних кіл. Це рубильники, пакетні вимикачі, вимикачі навантаження, автоматичні вимикачі, перемикачі, роз’єднувачі.

2) захисні – для захисту електричних кіл від короткого замикання (запобіжники високої та низької напруги);

3) обмежуючі – для обмеження струмів короткого замикання (реактори) і перенапруги (розрядники);

4) пускорегулюючі – для пуску, регулювання частоти обертання, струму, напруги електричних машин та інших споживачів електроенергії (контактори, пускачі, силові і командні контролери, реостати);

5) контролюючі – це апарати для контролю заданих електричних і неелектричних параметрів ( реле, датчики);

6) електричні апарати для вимірювань шляхом ізолювання первинних кіл від вторинних (трансформатори струму і напруги);

7) регулюючі електричні апарати – для автоматичного неперервного регулювання заданого параметра електричної сітки або автоматичного підтримування неперервної стабілізації.

- В границях однієї групи апарати поділяються на апарати низької напруги, як правило 660 В, і високої ( вище 1000 В або 3000 В).

- По виду струму розрізняють апарати:

змінного струму;

постійного струму;

промислової частоти; високої частоти( відбійні молотки).

- По роду захисту від оточуючого середовища апарати ділять на ті, що працюють у відкритому середовищі, закритому, водозахисному, вибухонебезпечному, на повітрі.

- По способу дії ( електромагнітні, магнітоелектричні, електродинамічні, індукційні, теплові і т.п.).

- По принципу роботи апарати розділяють на контактні і безконтактні. Контактні мають рухомі контакти; безконтактні діють на принципі зміни їх параметрів: індуктивності, ємності, електричного опору.

- Апарати можна поділити на автоматичні, що діють в залежності від заданого режиму, і ручного перемикання, що працюють від волі оператора.

Перехідний опір контактів.

У зоні переходу струму з одного тіла в інше має місце відносно великий електричний опір, названий перехідним опором контакту.

Електричне контактування – вельми складне явище. Контактні поверхні

завжди мають деяку шорсткість і, як правило, завжди покриті плівками, які утворюються під впливом кисню повітря, озону, азоту та інших хімічних реагентів. Плівки мають товщину приблизно до 10~6 см і питомий опір ρ = 105 Ом-см. Металеве контактування здійснюється не по всій поверхні, а лише в небагатьох точках. Плівка, що є на поверхні металу, може бути в одних випадках продавлена силою, що стискає контакти, в інших – пробита під впливом різниці електричних потенціалів. У місці пробою може утворитися металевий перешийок, що проводить електричний струм. Явище пробою плівки при деякій напрузі називається фріттінгом. Воно полягає в тому. що при деякому (пороговому) значенні напруги, залежному від вигляду і товщини плівки, опір її різко падає. Відбувається електричний пробій плівки, що завершується утворенням в ній тонкого металевою провідника, який може залишитися після зняття напруги. У місцях чисто металевого контактування розвиваються великі сили міжмолекулярних і міжатомних зв'язків. Чисто металеве контактування – явище рідкісне. Такий контакт при значній площі стикання поверхонь неможливо було б розірвати тими силами, які реально існують в електричних апаратах. Ймовірно, чисто металеве контактування можемо спостерігатися лише в місцях дуже вузьких металевих перешийків, які можуть утворитися при пробої плівок і розвиватися, наприклад, під впливом електростатичних сил. Явища електричного контактування остаточно ще не вивчені.

Перехідний опір ( ) можна уявити собі як місце звуження перерізу матеріалу і різкого підвищення густини струму, в порівнянні з густиною стуму в тілі контакту. Експериментально встановлено, що існує зв’язок: , де - деяка величина, що залежить від матеріалу обробки і стану контактної поверхні. - сила натискання; n – показник, що характеризує кількість точок контактування.

Із збільшенням їх кількості контактний опір зменшується. Встановлено, що n=0.5 для одноточкового контакту, n=0.7÷1 для лінійного контакту, n=1 для поверхневого контакту.

дуже сильно залежить від степені окислення. Для неокислених має такі значення (в Ом/Н): мідь – 1.0·10^-3 латунь – 6.7·10^-3 алюміній – 1.6·10^-3 сталь – 7.6·10^-3

Залежність перехідного опору від контактного натискання й температури.

Залежність перехідного опору від контактного натискання. Ця залежність відповідно до останнього рівняння подана на рис. 29. Крива 1 відповідає процесу зростання контактного натискання, крива 2 – зниженню натискання. Різний хід кривих обумовлений наявністю залишкових деформацій окремих горбків, по яким відбувалося зіткнення. Слід зазначити, що при тому самому натисканні перехідний опір того самого контакту при кожному замиканні може бути різним і відрізнятися в досить великих межах: у великих – при малих натисканнях і в менших – при великих натисканнях (більше 100 Н). Пояснюється це тим, що число і розмір площадок контактування при кожному замиканні можуть бути різними. Значення перехідного опору залежно від натискання практично виражається не якоюсь кривою, а сферою, обмеженою двома кривими.

Рис. 29 – Залежність перехідного опору від сили натискання(а)

і температури (б)

Залежність перехідного опору від температури. Перехідним опором контакту є опір металу провідника, тому він має тією ж мірою залежати від температури. Однак зі збільшенням температури змінюється структура горбків і площадок зіткнення за рахунок зміни питомого опору зминанню Θ. Тому температурний коефіцієнт тут буде меншим. Для міді α1 = 2/3 α. Таким чином,

де: Θ – температура контакту; Rпер.г – перехідний опір гарячій; Rпер.хол – перехідний опір холодний; α – температурний коефіцієнт. З зростанням температури перехідний опір спочатку росте (ділянка 1 кривої на рис. 29б). Потім при деякій температурі (для міді і срібла при 200 – 300 оС) відбувається різке зниження механічних властивостей матеріалу. При тому ж натисканні збільшується площадка контактування, перехідний опір (ділянка 2) різко падає. Надалі (ділянка 3) він знову зростає лінійно із зростанням температури, і при температурі плавлення матеріалу контакти зварюються, перехідний опір різко падає (ділянка 4).

Параметри контактних конструкцій.

Зазор контактів є найкоротшою відстанню між розімкненими контактними поверхнями рухомого і нерухомого контактів (див. рис. 37 і 38). Величину зазору контактів звичайно вибирають з умови гасіння малих струмів.

При роботі контакти зношуються. Щоб забезпечити їх надійне стикання на тривалий термін, кінематику апарату виконують таким чином, що контакти стикаються раніше, ніж рухома система (система переміщення рухомих контактів) доходить до упору. Контакт кріпиться до рухомої системи через пружину. Завдяки цьому після стикання з нерухомим контактом рухомий зупиняється, а рухома система просувається ще вперед до упору, стискаючи при цьому додатково контактну пружину. Таким чином, якщо при замкнутому положенні рухомої системи прибрати нерухомо закріплений контакт, то рухомий контакт зміститься на деяку відстань, названу провалом.

У прямоходових контактних конструкціях провал вимірюють безпосередньо, а в апаратах з поворотною системою величину провалу визначають величиною проміжка д, контролюючого провал. Величина провалу визначає величину запасу на знос контактів при заданому числі спрацьовувань. За інших рівних умов більший провал забезпечує вищу зносостійкість, тобто більший термін служби. Але більший провал, як правило, вимагає і потужнішої магнітної системи.

Контактне натиснення – сила, що стискає контакти в місці їх стикання. Розрізняють початкове натиснення Ро у момент початкового стикання контактів, коли провал дорівнює нулю, і кінцеве натиснення Рк при повному провалі:

де с – жорсткість контактної пружини, тобто величина сили в ньютонах, необхідної для стиснення пружини на 1 см; – величина первинного стиснення пружини; – величина додаткового стиснення пружини при виборі провалу. Із зносом контактів зменшується провал, а, отже, і додаткове стиснення пружини. Кінцеве натиснення наближається до початкового. Таким чином, початкове натиснення є основною величиною, при якій має бути забезпечена надійна робота апарату.

Процес розмикання контактів. Знос контактів при розмиканні Працездатність комутуючих контактів характеризується процесами при їхньому замиканні (включенні) і розмиканні (відключенні). Розглянемо спочатку процеси при розмиканні і знос контактів при відключенні кола. Під зносом контактів розуміють руйнування робочих поверхонь контакт–деталей, яке приводить до зміни їхньої форми, розміру, маси і до зменшення провалу. Знос, що відбувається під дією електричних факторів, називається комутаційним зносом – електричною корозією. При розмиканні сила, що стискує контакти, знижується до нуля, різко зростають перехідний опір контакту і густина струму в останній площадці контактування. Площадка сильно розігрівається, і між розбіжними контактами утворюється контактний перешийок із розплавленого металу, що надалі рветься. При цьому в проміжку між контактами можуть виникнути різні форми електричного розряду. При струмі й напрузі, більших від мінімально необхідних (наприклад, для міді I = 0,5 А і U = 15 В), виникне дуговий розряд. Якщо струм менше мінімально необхідного, а напруга вища напруги запалювання дуги, то виникне іскровий розряд. Під дією високої температури чи дуги іскри, а також інших факторів, частина металу контактного перешийка випаровується, частина розприскується

і викидається з проміжку між контактами, частина переноситься з одного контакту на інший.

Процес замикання контактів. Знос контактів при замиканні

У процесі замикання відстань між контактами поступово зменшується. При деякій відстані між ними відбувається пробій, виникає дуга, що гасне при замиканні контактів. Знос від цього явища варто враховувати в апаратах на високу напругу. У низьковольтних апаратах це явище можна не брати до уваги.

У комутаційних апаратах при замиканні відбувається комутаційний знос, що викликається явищем дзенькоту контактів. У ряді випадків він перевищує знос при розмиканні. Рухома контакт–деталь підходить до нерухомої з визначеною швидкістю. При зіткненні відбувається пружна деформація матеріалу обох контактів. Пружна деформація призводить до відскоку рухомої контакт–деталі. Вона відскакує від нерухомої на деяку відстань, вимірювану сотими й десятими міліметра (іноді до 1–го мм). Під дією контактної пружини відбувається повторне замикання контактів. Цей процес може повторюватися кілька разів із загасаючою амплітудою. При кожному відскоку між контактами виникає електрична дуга, що викликає їхній знос. Дзенькання при замиканні можливе внаслідок удару при притяганні якоря. При цьому знос може бути більшим, ніж від удару самих контактів, тому що дзенькіт контактів відбувається при набагато більших миттєвих струмах (удар пізніший, і струм устигає вирости більше при індуктивному навантаженні).

Втрати в деталях електричних апаратів. Втрати в провідниках.

Потужність та кількість теплоти, що виділяється при проходженні через провідник електричного струму визначається за законом Джоуля – Ленца: → Електричний опір провідника що ввімкнений в коло змінного і такого самого постійного струму, відрізняються між собою.

При постійному струмі опір легко знайти за відомою формулою:

(4.2)

де ρ – питомий опір;

l – довжина провідника;

S – площа поперечного перерізу.

При змінному струмі на активний опір провідника впливають поверхневий ефект і ефект близькості.

Тому вводиться коефіцієнт, що додатково враховує ці два ефекти – – коефіцієнт додаткових втрат.

Активним опором називають деякий фіктивний опір провідника, який будучи помноженим на квадрат діючого струму дає втрати потужності, що дійсно мають місце при даному змінному струмі.

Поверхневий ефект.

Поверхневий ефект зумовлений тим, що змінний струм збуджує в провіднику неоднорідне по його перерізу магнітне поле, що викликає різну величину вихрового струму, напрямленого проти основного струму. Це призводить до того, що опір провідника збільшується, оскільки струм виштовхується до поверхні. З підвищенням температури провідність матеріалу зменшується, значить, поверхневий ефект спадає.

Ефект близькості.

Ефект близькості полягає в тому, що магнітне поле одного провідника впливає на магнітне поле іншого провідника, розташованого поруч. Взаємовплив полів струмів цих провідників теж призводить до змін електричного опору провідника. Тому при змінному струмі: (4.3)

де – коефіцієнт додаткових втрат;

– поверхневого ефекту (росте із ростом частоти і провідності);

– коефіцієнт близькості (росте в провідниках із феромагнетика).

Нагрівання і охолодження однорідного провідника в електричному апараті в часі при довгочасовому режимі роботи.

У тривалому режимі досягається стале перевищення температури нагріву, значення якого в будь-якому випадку повинно бути менше, ніж допустиме перевищення температури. Швидкість зміни температури характеризується теплової постійної часу. Дотична до кривої відтинає на лінії усталеною температури як раз відрізок, рівний по тривалості.

Рис. Криві процесів нагрівання і охолодження однорідного провідника при тривалому режимі роботи.

Якщо потужність втрат в провіднику при проходженні по ньому електричного струму рівна Р. то за час dt в ньому виділяється енергія

Частина цієї енергії піде на нагрів провідника , а частина буде відведена в навколишнє середовище , де - маса провідника, кг. с- теплоємність, Дж/кг*К. - поверхня тепловіддачі провідника, м , - підвищена температура провідника по відношенню до навколишнього середовища, С або К . - коефіцієнт тепловіддачі, Вт/м .

Для любого моменту часу буде справедливо наступне рівняння теплового балансу .

Нагрів електричних апаратів чи окремих їх елементів при наступних основних режимах

- при постійних втратах потужності

(прилади у яких опір практично мало міняється від температури).

• при постійному струмі

,

Де - температурний коефіцієнт опору .

• при постійні напрузі

(котушки апаратів).

Якщо прийняти с і постійними, то при постійні потужності рішення рівняння відносно буде

, де - підвищені температури провідника над температурою середовища в момент початку процесу.

В наявності R, c і залежать від температури і будуть мінятися в часі.

Рис. Криві процесів нагрівання і охолодження однорідного провідника при тривалому режимі роботи.

15. Нагрів і охолодження провідника в електричному апараті при короткочасовому режимі роботи.

Криві процесу нагрівання та охолодження однорідного провідника при короткочасному режимі роботи.

При тривалому режимі допустиме навантаження вибирається таким чином, щоб встановилося перевищення температури дорівнювало допустимому . Перевищення температури в цьому випадку змінюється по кривій (рис). При тому ж навантаженні в короткочасному режимі роботи за час перевищення температури досягла б значення , тобто провідник не був би повністю використаний по нагріванню.

При короткочасному режимі слід так навантажити ( ) провідник, щоб його перевищення температури змінювалося по кривій 2 і до кінця режиму(за час ) досягло . При такому навантаженні в тривалому режимі досягалася б температура , що перевищує .

Таким чином, коефіцієнт перевантаження по потужності втрат для короткочасного режиму визначається зі співвідношення

Так як втрати пропорційні квадрату струму, то коефіцієнт перевантаження по струму . Охолодження провідника буде відбуватимуться за тією ж кривою 3, що і при тривалому режимі.

16. Нагрів і охолодження провідника в електричному апараті при повторно-короткочасовому режимі роботи.

Повторно-короткочасний - при якому температура частин електричного апарату за час навантаження не досягає усталеного значення, а за час паузи не зменшується до температури навколишнього середовища.

Повторно-короткочасним називається режим роботи, при якому періоди навантаження чергуються з паузами (рис2-8). При цьому ні за час навантаження, ні за час паузи перевищення температури не досягає сталого значення. Повний період називається циклом . Режим характеризується відносною тривалістю включень (ПВ) у відсотках і частотою включень - числом циклів на годину. ПВ являє собою відношення тривалості навантаження до тривалості всього циклу:

За час завантаження провідник нагрівається (ділянки ОА, ВС, ...), за час паузи він охолоджується (ділянки АВ, СD, ...). До кінця кожного з періодів температура не досягає сталого значення. Проте з деякого моменту часу настає стан, при якому підвищення температури за період навантаження робиться рівним її зниження за період паузи. Перевищення температури коливається між деякими максимумом і мінімумом .

Як і при короткочасному режимі, стале перевищення температури (крива2) буде нижче допустимого (крива 1), якщо провідник навантажений номінальним струмом тривалого режиму , і одно допустимому (крива 3), якщо струм підвищити до . При навантаженні перевищення температури при тривалому режимі досягло б (кривая4).

Коефіцієнти перевантаження по потужності втрат і току визначаються з співвідношень: ;

де Рпк-потужність втрат при повторно-короткочасному режимі.

17. Нагрівання однорідного провідника в електричному апараті при короткому замиканні.

Короткого замикання - це окремий випадок короткочасного режиму роботи, коли температура частин електричного апарату значно перевершує сталу температуру при нормальному режимі роботи.

Коротке замикання характеризується великим струмом і малою тривалістю (від декількох тисячних секунди до декількох секунд). При коротких замиканнях допускається більш висока (в 2-3рази) температура нагріву провідника, ніж при номінальному струмі, отже, і тепловіддача зросте максимум в три рази, втрати ж у провіднику зростуть у сотні разів. Таким чином, тепловіддача складати лише 1-3% від усієї виділеної в провіднику енергії, і можна вважати, що вся енергія йде на його нагрівання.

Рівняння теплового балансу в такому випадку прийме вигляд: ,

звідки ,

де і-миттєвий струм, -питомий опір, -щільність матеріалу провідника, с-питома теплоємність, s-перетин провідника, -коефіцієнт додаткових втрат.

Принципово і є змінними величинами, що залежать від температури. Змінною величиною в часі є і струм короткого замикання. Однак для спрощення розрахунку можна прийняти ці величини постійними. При етом значення р і с слід брати для температури нагрітого провідника. Тоді

Де -перевищення температури провідника над температурою навколишнього середовища в момент початку короткого замикання, -щільність струму.

Нагрівання провідника при короткому замикання відбувається практично по закону, свідчення прямий на рис. 2-9.